▲ 초소형 가변형 홀로그램 장치 모식도 / 액정 기반 광변조기와 메타표면이 결합된 가변형 초소형 홀로그램 장치 모식도. 외부 자극에 따라 액정 분자 배열이 달라지며, 광변조기를 투과하는 빛의 편광 상태를 조절할 수 있음. 이에 따라 공간 상에 생성되는 홀로그램 이미지가 스위칭 될 수 있음. 제공 : 포항공대 노준석 교수  © 특허뉴스

투명망토, 슈퍼렌즈 등의 새로운 광학 기능을 구현할 수 있는 것으로 잘 알려진 인공 물질인 ‘메타물질’을 이용해 미래형 디스플레이 기술인 3D 홀로그래픽 디스플레이, 증강·가상·혼합현실 디스플레이 등을 구현하려는 다양한 연구들이 진행되고 있다.

특히 2차원 형태의 메타물질, 즉 메타표면 장치는 머리카락 두께의 1,000분의 1 수준인 수 백 나노미터의 두께를 갖는 초박막, 초경량, 초소형 광학 소자로, 초소형 홀로그램 기술, 초박막 렌즈장치, 구조색 기반 반사형 디스플레이 등의 다양한 응용 분야에 접목되고 있다.

하지만 이러한 메타표면 장치의 큰 단점은 한 번 소자를 제작하고 나면 광학적 특성을 바꿀 수 없는 수동형 소자라는 점이다. 즉, 수동형 메타물질로 구현된 홀로그램(메타홀로그램)은 처음 프로그래밍 된 하나의 이미지 밖에 띄우지 못한다.

이러한 시기, 손동작만으로 홀로그램 이미지를 실시간으로 구현하는 영화 ‘아이언맨’ 장면의 실현을 앞당길 기술이 소개됐다.

▲ 외부 자극 인가 모식도 / 본 연구에서는 특별히 3가지 형태의 외부 자극(전압/온도/압력)을 통해 공간 상에 재생되는 홀로그램 이미지를 실시간으로 변조할 수 있음. 전압에 반응하는 소자는 수 ms 만에 홀로그램 이미지를 스위칭 할 수 있고, 온도에 반응하는 소자는 특정 온도를 넘어서면 홀로그램 이미지가 바뀌게 됨. 마지막으로 압력에 반응하는 홀로그램 장치는 가벼운 손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 바꿀 수 있음. 제공 : 포항공대 노준석 교수  © 특허뉴스

한국연구재단은 포항공과대학교 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 포항공과대학교 화학공학과 김영기 교수 연구팀(제1저자: 김인기 연구원)이 꿈의 소재라는 메타물질에 액정기술을 접목, 외부자극에 반응하는 초소형 홀로그램 장치를 개발했다고 밝혔다.

메타물질은 자연에 존재하지 않는 인공물질로, 투명망토, 슈퍼렌즈, 음굴절 장치 등 새로운 광학기능을 구현할 수 있는 꿈의 소재로 불린다.

머리카락 두께의 1,000분의 1 수준의 초박막, 초경량 및 초소형 광학소자인 메타표면을 이용해 3D 홀로그래픽 디스플레이, 증강·가상·혼합현실 등 미래형 디스플레이를 구현하려는 연구가 활발하다.

하지만 기존 메타표면을 이용한 장치는 한 번 소자를 제작하면 그 광학적 특성을 바꿀 수 없어, 처음 프로그래밍된 하나의 이미지만을 공간에 구현하는 데 그쳤다.

이에 연구팀은 외부 자극에 반응해 광학적 특성을 쉽게 바꿀 수 있는 액정(liquid crystal)을 메타물질에 접목했다

메타표면에 특별하게 고안된 액정 기반 광변조기(light modulator)을 결합, 액정 셀의 재료(5CB, E7 등)와 디자인(셀 두께, 액정 초기 배열 등)에 따라 손가락 터치나, 전압 또는 열과 같은 다양한 외부 자극에 반응하도록 했다.

실제 전압에 반응하도록 고안된 액정을 접목한 경우 0.8V 또는 1V에 전압을 걸어주면, 수 ms 이내(1밀리초=0.001초)로 홀로그램 이미지를 빠르게 변환할 수 있다.

온도에 반응하는 액정을 접목한 장치는 특정 온도(47°C) 이상이 되면 홀로그램 이미지가 스위칭 된다. 터치에 반응하도록 디자인으로 된 장치는 10kPa에서 0.01MPa 사이의 가벼운 손가락 터치만으로도 홀로그램 이미지를 빠르게 바꿀 수 있었다.

특히 450nm - 700nm의 파장을 갖는 가시광선 영역에서 매우 선명한 홀로그램 이미지를 생성할 수 있는 것으로 나타났다. 한편 연구팀은 이 장치를 미생물이나 화학물질을 검출하는 센서에 접목하기 위한 연구를 지속할 계획이다.

▲ 손가락 터치만으로 홀로그램 이미지를 변조하는 장치 모식도 / 압력감응형 액정 기반 광변조기를 이용하여, 가벼운 손가락 터치만으로 매우 빠르게 홀로그램 이미지를 스위칭 할 수 있는 장치 모식도. 제공 : 포항공대 노준석 교수  © 특허뉴스

개발된 초소형 홀로그램 장치는 고화질 홀로그래픽 비디오 재생 광학소자, 온도감응형 홀로그램 센서, 미래형 인터랙티브/햅틱 홀로그램 기술을 앞당길 실마리가 될 것으로 기대된다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 11월 11일 커버논문(frontispiece)으로 게재되었다.